This work comprises different approaches for the efficiency enhancement of white organic light-emitting diodes (OLEDs). In particular, diffusion and transfer processes of excited singlet and triplet states are investigated. Generation of white light is realized by using the so-called triplet harvesting method where the otherwise nonradiatively decaying triplets of a blue fluorescent emitter are transferred to a highly efficient phosphorescent emitter and result in additional emission at lower energies. Triplet harvesting significantly increases the internal quantum efficiency in OLEDs. First, the well-known blue emitter 4P-NPD is investigated as model case. Using time-resolved spectroscopy, triplet harvesting by a yellow and red phosphorescent emitter, respectively is directly proven. However, triplet harvesting by a green emitter is not possible due to the low triplet energy of 4P-NPD. Using quantum chemical calculations, two new emitter molecules, 8M-4P-NPD and 8M-4P-FPD, are synthesized with the aim to rise the triplet energy. Their properties and their ability to facilitate triplet harvesting by a green emitter are studied. For the first time, a white triplet harvesting OLED is demonstrated where triplet harvesting occurs directly from a blue emitter to a green and a red emitter. Furthermore, an additional singlet transfer is observed in the triplet harvesting OLEDs under investigation. Using the phosphorescent emitter as singlet sensor, this effect allows the determination of the singlet diffusion length in 4P-NPD. By varying the distance between singlet generation zone and singlet sensor, a singlet diffusion length of 4.6 nm is found. One further approach to increase the efficiency is the optimization of a tandem OLED which comprises two single OLED units stacked on top of each other. At a luminance of 1,000 cd/m², the white tandem OLED shows an external quantum efficiency of 25%, a luminous efficacy of 33 lm/W, a color rendering index (CRI) of 62, and Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) color coordinates of (0.53/0.43). These efficiencies are comparable to state-of-the-art efficiencies of white OLEDs. Finally, the highly efficient white tandem structure is applied on an alternative electrode consisting of flattened silver nanowires. In comparison to the conventional OLED with indium-tin oxide (ITO) electrode, this OLED shows similarly high efficiencies as well as a superior color stability in terms of viewing angles. The color stability can be assigned to the light scattering properties of the nanowires. The OLED with silver nanowire electrode shows efficiencies of 24% and 30 lm/W at 1,000 cd/m² with a CRI of 69 and CIE coordinates of (0.49/0.47). / In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Effizienzsteigerung in weißen organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) erforscht. Hierfür werden im Besonderen Diffusions- und Transferprozesse von angeregten Singulett- und Triplettzuständen untersucht. Zur Erzeugung von weißem Licht wird die sogenannte “triplet harvesting” Methode verwendet, bei der die sonst nicht zur Emission beitragenden Triplettzustände eines fluoreszenten blauen Emitters auf einen hocheffizienten phosphoreszenten Emitter übertragen werden. Dieser liefert dann zusätzliche Emission im niederenergetischen Spektralbereich. Durch triplet harvesting kann die interne Quantenausbeute in OLEDs beträchtlich gesteigert werden. Zunächst wird der bekannte blaue Emitter 4P-NPD als Modellbeispiel untersucht. Mittels zeitlich aufgelöster Spektroskopie kann triplet harvesting auf einen gelben bzw. roten Emitter direkt nachgewiesen werden. Allerdings ist auf Grund der niedrigen Triplettenergie triplet harvesting auf einen grünen Emitter nicht möglich. In Anbetracht dieser Tatsache werden unter Zuhilfenahme quantenchemischer Betrachtungen zwei neue Emittermoleküle, 8M-4P-NPD und 8M-4P-FPD, synthetisiert und auf ihre Eigenschaften und ihre Eignung für triplet harvesting untersucht. Dabei wird zum ersten Mal eine weiße OLED realisiert, in der triplet harvesting von einem blauen Emitter direkt auf einen grünen und einen roten Emitter erfolgt. Des Weiteren wird bei den untersuchten triplet harvesting OLEDs ein zusätzlicher Singulettübertrag auf den phosphoreszenten Emitter beobachtet. Dieser Effekt wird zur Bestimmung der Singulettdiffusionslänge in 4P-NPD genutzt. Der phosphoreszente Emitter dient dabei als Singulettsensor. Über eine Variation des Abstands zwischen Singulettgenerationszone und Sensor wird eine Singulettdiffusionslänge von 4,6 nm bestimmt. Ein weiterer Ansatz zur Effizienzsteigerung besteht in der Optimierung einer aus zwei OLEDs zusammengesetzten Tandem OLED. Bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m² erzielt diese weiße Tandem OLED eine externe Quanteneffizienz von 25% und eine Leistungseffizienz von 33 lm/W mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 62 und Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) Farbkoordinaten von (0,53/0,43). Diese Effizienzen sind vergleichbar mit dem aktuellen Forschungsstand weißer OLEDs. Schließlich wird diese hocheffiziente weiße Tandemstruktur auf eine alternative Elektrode bestehend aus flachgedrückten Silbernanodrähten aufgebracht. Im Vergleich zur konventionellen OLED mit Indiumzinnoxid (ITO) Elektrode erreicht diese ähnlich hohe Effizienzen sowie eine verbesserte Farbstabilität bezüglich des Betrachtungswinkels, was auf die Streueigenschaften der Nanodrähte zurückgeführt werden kann. Bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m² zeigt die OLED mit Silbernanodrahtelektrode Effizienzen von 24% und 30 lm/W bei einem CRI von 69 und CIE Koordinaten von (0,49/0,47).

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre. / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.

In the last decades, investigations of organic light-emitting diodes (OLEDs) have tackled several key challenges of this lighting technology and have brought the electron to photon conversion efficiency close to unity. However, currently only 20% to 30% of the photons can typically be extracted from OLED structures, as total internal reflection traps the major amount of the generated light inside the devices. This work focuses on the optimization of the optical properties of top-emitting OLEDs, in which the emission is directed away from the substrate. In this case, opaque materials, e.g. a metal foil or a display backplane can be used as substrate as well. Even though top-emitting OLEDs are often preferred for applications such as displays, two main challenges remain: the application of light extraction structures and the deposition of highly transparent materials as top electrode, without harming the organic layers below. Both issues are addressed in this work. First, top-emitting OLEDs are deposited on top of periodically corrugated light outcoupling structures, in order to extract internally trapped light modes by Bragg scattering and to investigate the basic scattering mechanisms in these devices. It is shown for the first time that the electrical performance is maintained in corrugated top-emitting OLEDs deposited on top of light extraction structures. Furthermore, as no adverse effects to the internal quantum efficiency have been observed, the additional emission from previously trapped light modes directly increases the device efficiency. It has been proven that the spectral emission of corrugated OLEDs is determined by the interference of all light modes inside the air light-cone, including the observation of destructive interference and anti-crossing phenomena. The formation of a coherently coupled mode pair of the initial radiative cavity mode and a Bragg scattered mode has been first observed, when grating structures with an aspect ratio > 0.2 are applied. There, the radiative cavity mode partially vanishes. The observation and analysis of such new emission phenomena in corrugated top-emitting OLEDs has been essential in obtaining a detailed insight on fundamental scattering processes as well as for the optimization and control of the spectral emission by light extraction structures. Second, the adverse impact of using only moderately transparent silver electrodes in white top-emitting OLEDs has been compensated improving the metal film morphology, as the organic materials often prevent a replacement by state-of-the-art electrodes, like Indium-tin-oxide (ITO). A high surface energy Au wetting layer, also in combination with MoO3, deposited underneath the Ag leads to smooth, homogeneous, and closed films. This allows to decrease the silver thickness from the state-of-the-art 15 nm to 3 nm, which has the advantage of increasing the transmittance significantly while maintaining a high conductivity. Thereby, a transmittance comparable to the ITO benchmark has been reached in the wavelength regime of the emitters. White top-emitting OLEDs using the wetting layer electrodes outperform state-of-the art top-emitting devices with neat Ag top electrodes, by improving the angular colorstability, the color rendering, and the device efficiency, further reaching sightly improved characteristics compared to references with ITO bottom electrode. The enormous potential of wetting layer metal electrodes in improving the performance of OLEDs has been further validated in inverted top-emitting devices, which are preferred for display applications, as well as transparent OLEDs, in which the brittle ITO electrode is replaced by a wetting layer electrode. Combining both concepts, wetting layer electrodes and light extraction structures, allows for the optimization of the grating-OLED system. The impact of destructive mode interference has been reduced and thus the efficiency increased by a decrease of the top electrode thickness, which would have not been achieved without a wetting layer. The optimization of corrugated white top-emitting OLEDs with a top electrode of only 2 nm gold and 7 nm silver on top of a grating with depth of 150 nm and period of 0.8 µm have yielded a reliable device performance and increased efficiency by a factor of 1.85 compared to a planar reference (5.0% to 9.1% EQE at 1000 cd/m2). This enhancement is comparable to common light extraction structures, such as half-sphere lenses or microlens foils, which are typically restricted to bottom-emitting devices. Overall, the deposition of top-emitting OLEDs on top of light extraction structures finally allow for an efficient extraction of internally trapped light modes from these devices, while maintaining a high device yield. Finally, the investigations have resulted in a significant efficiency improvement of top-emitting OLEDs and the compensation of drawbacks (optimization of the white light emission and the extraction of internal light modes) in comparison to the bottom-emitting devices. The investigated concepts are beneficial for OLEDs in general, since the replacement of the brittle ITO electrodes and the fabrication of roll-to-roll processing compatible light extraction structures are also desirable for bottom-emitting, or transparent OLEDs.

This work comprises different approaches for the efficiency enhancement of white organic light-emitting diodes (OLEDs). In particular, diffusion and transfer processes of excited singlet and triplet states are investigated. Generation of white light is realized by using the so-called triplet harvesting method where the otherwise nonradiatively decaying triplets of a blue fluorescent emitter are transferred to a highly efficient phosphorescent emitter and result in additional emission at lower energies. Triplet harvesting significantly increases the internal quantum efficiency in OLEDs. First, the well-known blue emitter 4P-NPD is investigated as model case. Using time-resolved spectroscopy, triplet harvesting by a yellow and red phosphorescent emitter, respectively is directly proven. However, triplet harvesting by a green emitter is not possible due to the low triplet energy of 4P-NPD. Using quantum chemical calculations, two new emitter molecules, 8M-4P-NPD and 8M-4P-FPD, are synthesized with the aim to rise the triplet energy. Their properties and their ability to facilitate triplet harvesting by a green emitter are studied. For the first time, a white triplet harvesting OLED is demonstrated where triplet harvesting occurs directly from a blue emitter to a green and a red emitter. Furthermore, an additional singlet transfer is observed in the triplet harvesting OLEDs under investigation. Using the phosphorescent emitter as singlet sensor, this effect allows the determination of the singlet diffusion length in 4P-NPD. By varying the distance between singlet generation zone and singlet sensor, a singlet diffusion length of 4.6 nm is found. One further approach to increase the efficiency is the optimization of a tandem OLED which comprises two single OLED units stacked on top of each other. At a luminance of 1,000 cd/m², the white tandem OLED shows an external quantum efficiency of 25%, a luminous efficacy of 33 lm/W, a color rendering index (CRI) of 62, and Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) color coordinates of (0.53/0.43). These efficiencies are comparable to state-of-the-art efficiencies of white OLEDs. Finally, the highly efficient white tandem structure is applied on an alternative electrode consisting of flattened silver nanowires. In comparison to the conventional OLED with indium-tin oxide (ITO) electrode, this OLED shows similarly high efficiencies as well as a superior color stability in terms of viewing angles. The color stability can be assigned to the light scattering properties of the nanowires. The OLED with silver nanowire electrode shows efficiencies of 24% and 30 lm/W at 1,000 cd/m² with a CRI of 69 and CIE coordinates of (0.49/0.47).:List of Publications List of Important Abbreviations 1 Introduction 2 White Light and Color 2.1 Radiometry and Photometry 2.2 Color Stimulus Specification 2.3 White Light 2.4 Light Sources 3 Organic Semiconductors 3.1 Molecular Orbitals 3.2 Fluorescence and Phosphorescence 3.3 Singlet-Triplet Splitting 3.4 Energy Transfer Mechanisms 3.5 Exciton Diffusion and Quenching 3.6 Charge Carrier Transport 4 Organic Light-Emitting Diodes 4.1 Electroluminescence 4.2 The pin Concept 4.3 Phosphorescent Emitters 4.4 Triplet Harvesting 4.5 Light Outcoupling 4.6 White OLEDs - State-of-the-Art 5 Experimental and Methods 5.1 Materials 5.2 Device Preparation 5.3 OLED Characterization 5.3.1 IVL and Spectral Emission 5.3.2 Angular Dependence 5.3.3 Efficiencies 5.3.4 Lifetime 5.4 Time-Resolved Spectroscopy 5.5 Photoluminescence Setup 5.6 Theoretical Calculations 5.6.1 Optical Simulation of OLEDs 5.6.2 Calculation of Molecular Orbitals 6 Triplet Harvesting 6.1 The Emitter 4P-NPD 6.1.1 Orientation 6.1.2 Exciton Harvesting 6.1.3 Two-color white TH OLED 6.2 Development of Blue Emitters 6.2.1 8M-4P-NPD 6.2.2 8M-4P-FPD 6.3 Comparison to Quantum Chemical Calculations 6.4 Summary and Outlook 7 Singlet Diffusion Length 7.1 Electroluminescence Quenching 7.1.1 Working principle of the device 7.1.2 Theoretical Considerations 7.1.3 Results 7.2 Photoluminescence Quenching 7.2.1 Preliminary Considerations 7.2.2 Reference Devices 7.2.3 Sample Devices and Discussion 7.3 Summary and Outlook 8 Tandem OLEDs 8.1 Previous Work 8.2 Triplet Harvesting Unit 8.3 Full Phosphorescent Unit 8.4 Charge Generation Layer in Tandem OLEDs 8.5 Tandem OLED with Double Emission Layer 8.6 Conclusions and Outlook 9 Silver Nanowire Electrodes 9.1 Demand for Alternative Electrodes 9.2 Processing and Quality Characteristics 9.3 Influence of Organic Buffer Layers 9.4 Variation of the Electron Transport Layer Thickness 9.5 Highly Efficient OLEDs on Silver Nanowire Electrodes 9.6 Summary and Outlook 10 Concluding Remarks 10.1 Summary of Main Results 10.2 Outlook: White TH OLEDs / In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Effizienzsteigerung in weißen organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) erforscht. Hierfür werden im Besonderen Diffusions- und Transferprozesse von angeregten Singulett- und Triplettzuständen untersucht. Zur Erzeugung von weißem Licht wird die sogenannte “triplet harvesting” Methode verwendet, bei der die sonst nicht zur Emission beitragenden Triplettzustände eines fluoreszenten blauen Emitters auf einen hocheffizienten phosphoreszenten Emitter übertragen werden. Dieser liefert dann zusätzliche Emission im niederenergetischen Spektralbereich. Durch triplet harvesting kann die interne Quantenausbeute in OLEDs beträchtlich gesteigert werden. Zunächst wird der bekannte blaue Emitter 4P-NPD als Modellbeispiel untersucht. Mittels zeitlich aufgelöster Spektroskopie kann triplet harvesting auf einen gelben bzw. roten Emitter direkt nachgewiesen werden. Allerdings ist auf Grund der niedrigen Triplettenergie triplet harvesting auf einen grünen Emitter nicht möglich. In Anbetracht dieser Tatsache werden unter Zuhilfenahme quantenchemischer Betrachtungen zwei neue Emittermoleküle, 8M-4P-NPD und 8M-4P-FPD, synthetisiert und auf ihre Eigenschaften und ihre Eignung für triplet harvesting untersucht. Dabei wird zum ersten Mal eine weiße OLED realisiert, in der triplet harvesting von einem blauen Emitter direkt auf einen grünen und einen roten Emitter erfolgt. Des Weiteren wird bei den untersuchten triplet harvesting OLEDs ein zusätzlicher Singulettübertrag auf den phosphoreszenten Emitter beobachtet. Dieser Effekt wird zur Bestimmung der Singulettdiffusionslänge in 4P-NPD genutzt. Der phosphoreszente Emitter dient dabei als Singulettsensor. Über eine Variation des Abstands zwischen Singulettgenerationszone und Sensor wird eine Singulettdiffusionslänge von 4,6 nm bestimmt. Ein weiterer Ansatz zur Effizienzsteigerung besteht in der Optimierung einer aus zwei OLEDs zusammengesetzten Tandem OLED. Bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m² erzielt diese weiße Tandem OLED eine externe Quanteneffizienz von 25% und eine Leistungseffizienz von 33 lm/W mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 62 und Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) Farbkoordinaten von (0,53/0,43). Diese Effizienzen sind vergleichbar mit dem aktuellen Forschungsstand weißer OLEDs. Schließlich wird diese hocheffiziente weiße Tandemstruktur auf eine alternative Elektrode bestehend aus flachgedrückten Silbernanodrähten aufgebracht. Im Vergleich zur konventionellen OLED mit Indiumzinnoxid (ITO) Elektrode erreicht diese ähnlich hohe Effizienzen sowie eine verbesserte Farbstabilität bezüglich des Betrachtungswinkels, was auf die Streueigenschaften der Nanodrähte zurückgeführt werden kann. Bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m² zeigt die OLED mit Silbernanodrahtelektrode Effizienzen von 24% und 30 lm/W bei einem CRI von 69 und CIE Koordinaten von (0,49/0,47).:List of Publications List of Important Abbreviations 1 Introduction 2 White Light and Color 2.1 Radiometry and Photometry 2.2 Color Stimulus Specification 2.3 White Light 2.4 Light Sources 3 Organic Semiconductors 3.1 Molecular Orbitals 3.2 Fluorescence and Phosphorescence 3.3 Singlet-Triplet Splitting 3.4 Energy Transfer Mechanisms 3.5 Exciton Diffusion and Quenching 3.6 Charge Carrier Transport 4 Organic Light-Emitting Diodes 4.1 Electroluminescence 4.2 The pin Concept 4.3 Phosphorescent Emitters 4.4 Triplet Harvesting 4.5 Light Outcoupling 4.6 White OLEDs - State-of-the-Art 5 Experimental and Methods 5.1 Materials 5.2 Device Preparation 5.3 OLED Characterization 5.3.1 IVL and Spectral Emission 5.3.2 Angular Dependence 5.3.3 Efficiencies 5.3.4 Lifetime 5.4 Time-Resolved Spectroscopy 5.5 Photoluminescence Setup 5.6 Theoretical Calculations 5.6.1 Optical Simulation of OLEDs 5.6.2 Calculation of Molecular Orbitals 6 Triplet Harvesting 6.1 The Emitter 4P-NPD 6.1.1 Orientation 6.1.2 Exciton Harvesting 6.1.3 Two-color white TH OLED 6.2 Development of Blue Emitters 6.2.1 8M-4P-NPD 6.2.2 8M-4P-FPD 6.3 Comparison to Quantum Chemical Calculations 6.4 Summary and Outlook 7 Singlet Diffusion Length 7.1 Electroluminescence Quenching 7.1.1 Working principle of the device 7.1.2 Theoretical Considerations 7.1.3 Results 7.2 Photoluminescence Quenching 7.2.1 Preliminary Considerations 7.2.2 Reference Devices 7.2.3 Sample Devices and Discussion 7.3 Summary and Outlook 8 Tandem OLEDs 8.1 Previous Work 8.2 Triplet Harvesting Unit 8.3 Full Phosphorescent Unit 8.4 Charge Generation Layer in Tandem OLEDs 8.5 Tandem OLED with Double Emission Layer 8.6 Conclusions and Outlook 9 Silver Nanowire Electrodes 9.1 Demand for Alternative Electrodes 9.2 Processing and Quality Characteristics 9.3 Influence of Organic Buffer Layers 9.4 Variation of the Electron Transport Layer Thickness 9.5 Highly Efficient OLEDs on Silver Nanowire Electrodes 9.6 Summary and Outlook 10 Concluding Remarks 10.1 Summary of Main Results 10.2 Outlook: White TH OLEDs

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion

In the last decades, investigations of organic light-emitting diodes (OLEDs) have tackled several key challenges of this lighting technology and have brought the electron to photon conversion efficiency close to unity. However, currently only 20% to 30% of the photons can typically be extracted from OLED structures, as total internal reflection traps the major amount of the generated light inside the devices. This work focuses on the optimization of the optical properties of top-emitting OLEDs, in which the emission is directed away from the substrate. In this case, opaque materials, e.g. a metal foil or a display backplane can be used as substrate as well. Even though top-emitting OLEDs are often preferred for applications such as displays, two main challenges remain: the application of light extraction structures and the deposition of highly transparent materials as top electrode, without harming the organic layers below. Both issues are addressed in this work. First, top-emitting OLEDs are deposited on top of periodically corrugated light outcoupling structures, in order to extract internally trapped light modes by Bragg scattering and to investigate the basic scattering mechanisms in these devices. It is shown for the first time that the electrical performance is maintained in corrugated top-emitting OLEDs deposited on top of light extraction structures. Furthermore, as no adverse effects to the internal quantum efficiency have been observed, the additional emission from previously trapped light modes directly increases the device efficiency. It has been proven that the spectral emission of corrugated OLEDs is determined by the interference of all light modes inside the air light-cone, including the observation of destructive interference and anti-crossing phenomena. The formation of a coherently coupled mode pair of the initial radiative cavity mode and a Bragg scattered mode has been first observed, when grating structures with an aspect ratio > 0.2 are applied. There, the radiative cavity mode partially vanishes. The observation and analysis of such new emission phenomena in corrugated top-emitting OLEDs has been essential in obtaining a detailed insight on fundamental scattering processes as well as for the optimization and control of the spectral emission by light extraction structures. Second, the adverse impact of using only moderately transparent silver electrodes in white top-emitting OLEDs has been compensated improving the metal film morphology, as the organic materials often prevent a replacement by state-of-the-art electrodes, like Indium-tin-oxide (ITO). A high surface energy Au wetting layer, also in combination with MoO3, deposited underneath the Ag leads to smooth, homogeneous, and closed films. This allows to decrease the silver thickness from the state-of-the-art 15 nm to 3 nm, which has the advantage of increasing the transmittance significantly while maintaining a high conductivity. Thereby, a transmittance comparable to the ITO benchmark has been reached in the wavelength regime of the emitters. White top-emitting OLEDs using the wetting layer electrodes outperform state-of-the art top-emitting devices with neat Ag top electrodes, by improving the angular colorstability, the color rendering, and the device efficiency, further reaching sightly improved characteristics compared to references with ITO bottom electrode. The enormous potential of wetting layer metal electrodes in improving the performance of OLEDs has been further validated in inverted top-emitting devices, which are preferred for display applications, as well as transparent OLEDs, in which the brittle ITO electrode is replaced by a wetting layer electrode. Combining both concepts, wetting layer electrodes and light extraction structures, allows for the optimization of the grating-OLED system. The impact of destructive mode interference has been reduced and thus the efficiency increased by a decrease of the top electrode thickness, which would have not been achieved without a wetting layer. The optimization of corrugated white top-emitting OLEDs with a top electrode of only 2 nm gold and 7 nm silver on top of a grating with depth of 150 nm and period of 0.8 µm have yielded a reliable device performance and increased efficiency by a factor of 1.85 compared to a planar reference (5.0% to 9.1% EQE at 1000 cd/m2). This enhancement is comparable to common light extraction structures, such as half-sphere lenses or microlens foils, which are typically restricted to bottom-emitting devices. Overall, the deposition of top-emitting OLEDs on top of light extraction structures finally allow for an efficient extraction of internally trapped light modes from these devices, while maintaining a high device yield. Finally, the investigations have resulted in a significant efficiency improvement of top-emitting OLEDs and the compensation of drawbacks (optimization of the white light emission and the extraction of internal light modes) in comparison to the bottom-emitting devices. The investigated concepts are beneficial for OLEDs in general, since the replacement of the brittle ITO electrodes and the fabrication of roll-to-roll processing compatible light extraction structures are also desirable for bottom-emitting, or transparent OLEDs.

Solid state lighting is a new environmentally friendly light source. So far, light emitting diodes (LEDs) and organic LEDs (OLEDs) have been presented as candidates with potentially high efficiency. Recent advances of OLEDs in device architecture, light-out coupling, and materials have ensured high efficiency, exceeding that of incandescent light bulbs. In contrast to conventional point source LEDs, OLEDs distribute light throughout the surface area and are not restricted by their size. Additionally, OLEDs are expected to reach sufficient stability in the near future. The remaining challenge for OLEDs is their cost. New OLED technologies provide cost effective manufacturing methods which could be presented for transparent electrode materials because indium tin oxide (ITO), a widely used material as a transparent electrode for OLEDs, is less than optimal due to its high element price. In this work, alternative transparent electrodes for OLEDs as a replacement of ITO were studied. First, Al doped ZnO (ZnO:Al) which is composed of abundant materials was investigated with DC magnetron sputtering under a wide range of experimental conditions. The optimised ZnO:Al received comparable performance with conventional ITO films, low sheet resistance of 22.8 Ω/sq as well as a high transparency of 93.1 % (average value in the visible range). Various type of p-i-n OLEDs were employed on the structured ZnO:Al using photolithography. Green OLEDs with double emission layers have been archived stable efficiencies even at higher luminance. Also, OLEDs using two fluorescent colour system on ZnO:Al anode showed a purely white emission. It has been found that the OLEDs on ZnO:Al anode has comparable or better device efficiencies and operational lifetime compared to OLEDs on conventional ITO anode. As another alternative electrode, the conductive polymer Baytron®PH510 (PEDOT:PSS) was investigated. Due to a relatively high sheet resistance of PEDOT:PSS, metal grid was designed for large size OLEDs. White OLEDs on PEDOT anode with a size of 5 × 5 cm2 have achieved more than 10 lm/W of power efficiency using a scattering foil. Furthermore, up-scaled devices on 10 × 10 cm2 were also demonstrated. These results showed ZnO:Al and PEDOT are suitable for OLEDs as anode and have high potential as alternative transparent electrode materials.

This work investigates the encapsulation of organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs) in order to extend their lifetimes. Despite their unquestioned benefits, such as low material consumption and flexibility, their short lifetime span in ambient atmosphere is a clear disadvantage. For protection purposes, the devices are required to be encapsulated with permeation barriers. An appropriate barrier must have a water vapor transmission rate (WVTR) below 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1) – below a monolayer of water permating through the barrier per day. Thus to design such barriers, a highly sensitive method for their evaluation is the primary requirement. Much fundamental research and setup development is thus performed in this work in order to improve the electrical calcium test to a sufficient level of sensitivity, reliability, and measurement capacity. The electrical calcium test uses a thin film of ignoble calcium and determines the amount of incoming water based on the decrease in its electrical conductance. In order to obtain highly precise results, this work identifies the reaction product (calcium hydroxide) and electrical resistivity of evaporated calcium films ((6.2 +- 0.1) 10^(-6-) Ohm cm). In contrast to a common assumption for the evaluation of calcium tests, calcium is found to corrode laterally inhomogeneous. However, it is shown theoretically and experimentally that this inhomogeneity does not distort the WVTR-measurement. Besides these fundamental investigations, calcium test design problems – as well as their solutions – are shown such as the damaging of an inorganic barrier film by an adjacent calcium sensor. As a result, a powerful and reliable measurement setup has been created. Subsequently, an investigation of a variety of barriers is presented, based on calcium tests, but also on device encapsulation and electroplating into defects: Permeation through evaporated aluminum thin films is found to occur mainly through macroscopic defects (radii > 0.4 μm) characterizable by optical inspection. Barriers made via atomic layer deposition (ALD) show improved performance with increasing layer thickness. Using ALD on foils provides excellent but, thus far, unreliable barriers. Permeation through bare polymer foils as well as sputtered zinc tin oxide (ZTO) increases roughly linear with increasing humidity and the measured WVTRs are highly comparable to reference values. The POLO barrier with a WVTR in the lower 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1)-regime reaches the sensitivity limit of the current calcium test layout. In summary, in-depth investigations on permeation through different barriers are conducted here which reveal basic WVTR-dependencies from process- and climate parameters. Finally, water is identified as the predominant cause for device degradation, reducing the active area. For one type of both OLEDs and OSCs, the amount of water causing a 50% loss in active area (T50- water-uptake) is quantified via a comparative aging experiment involving calcium tests. Further for the case of the OSC, this T50-water-uptake of (20 +- 7) mg(H2O) m^(-2) is shown to be independent of climate conditions. As a result, the previously unspecific request for an aimed device lifetime can now be translated into a specific requirement for the permeation barrier: a water vapor transmission rate. Regarding the field of encapsulation, this work improves an essential measurement technique, characterizes a variety of permeation barriers, and investigates degradation of devices by ambient gases. The encapsulation field still poses several open questions. This work, however, strengthens the belief that organic devices will outlive them. / Diese Arbeit untersucht die Verkapselung organischer Leuchtdioden (OLEDs) und organischer Solarzellen (OSCs), um ihre Lebensdauer zu verlängern. Trotz unbestrittener Vorteile wie geringer Materialaufwand und mechanische Flexibilität stellt die kurze Lebensdauer dieser Bauteile an Luft einen deutlichen Nachteil dar. Um sie zu schützen, müssen sie mit Permeationsbarrieren verkapselt werden. Eine geeignete Barriere zeichnet sich durch eine Wasserpermeationsrate (WVTR) unterhalb von 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1) aus – weniger als eine Monolage Wasser pro Tag. Folglich wird zur Entwicklung einer solchen Barriere primär eine äußerst empflindliche Methode zu ihrer Vermessung benötigt. Um für den elektrischen Calcium-Test ein hinreichendes Maß an Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Probendurchsatz zu erzielen, werden in dieser Arbeit Grundlagenuntersuchungen sowie die Entwicklung des Messaufbaus umfassend behandelt. Der elektrische Calcium-Test bestimmt die Menge eindringenden Wassers anhand der Leitfähigkeitsabnahme einer dünnen Schicht Calcium – eines unedlen Metalls. Um eine hohe Genauigkeit zu erlangen, werden das Reaktionsprodukt (Calciumhydroxid) und der spezifische Widerstand ((6,2 +- 0,1) 10^(-6) Ohm cm) aufgedampfter Calcium-Filme bestimmt. Entgegen einer für die Auswertung von Calcium-Tests üblichen Annahme wird für Calcium ein lateral inhomogenes Korrosionsverhalten festgestellt. Allerdings kann theoretisch und experimentell nachgewiesen werden, dass hierdurch die WVTR-Messung nicht verfälscht wird. Neben diesen Grundlagenuntersuchungen werden Design-Probleme des Calcium-Tests und deren Lösung vorgestellt, z. B. die Schädigung der anorganischen Barriere durch direkten Kontakt mit dem Calcium-Sensor. Im Ergebnis ist damit ein ebenso leistungsstarker wie zuverlässiger Messaufbau entwickelt worden. Im nächsten Schritt wird die Untersuchung einer Vielzahl von Barrieren mithilfe von Calcium-Tests, aber auch Bauteil-Verkapselung und galvanischer Abscheidung in Defekten, vorgestellt: Die Permeation durch aufgedampfte Aluminium-Dünnfilme geschieht demnach im Wesentlichen durch Makro-Defekte (Radien > 0,4 μm), die einer optischen Charakterisierung zugänglich sind. Barrieren, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt werden, verbessern sich mit steigender Schichtdicke, wobei solche Schichten auf Folien ausgezeichnete – aber bisher unzuverlässige – Permeationsbarrieren darstellen. Sowohl für einfache Polymerfolien als auch für gesputterte Zink-Zinn-Oxid-Barrieren (ZTO) werden zum einen gute Übereinstimmungen der gemessenen WVTR mit Vergleichswerten erzielt, zum anderen wächst in beiden Fällen die WVTR grob linear mit der anliegenden Luftfeuchte. Die POLO-Barriere mit einer WVTR im unteren 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1)-Bereich erreicht die Messgrenze des aktuellen Messaufbaus. Kurzgesagt, es werden tiefgehende Untersuchungen zur Permeation durch verschiedene Barrieren durchgeführt, die grundlegende Zusammenhänge zwischen WVTR und Prozess-/Klimabedingungen beleuchten. Schließlich wird Wasser, das die aktive Fläche reduziert, als die vorrangige Degradationsursache identifiziert. Für je eine Sorte OLEDs und OSCs wird mittels eines vergleichenden (gegenüber Calcium-Tests) Alterungsexperiments dieWassermenge bestimmt, die die aktive Fläche um 50% verringert (T50-Wasser-Aufnahme). Für die OSC wird zudem gezeigt, dass die T50-Wasser-Aufnahme von (20 +- 7) mg(H2O) m^(-2) unabhängig von den Klimabedingungen ist. Folglich kann die zuvor unspezifische Forderung nach einer angestrebten Lebensdauer nun in eine konkrete Anforderung an die Barriere übersetzt werden: eine Wasserpermeationsrate. Mit Blick auf das Feld der Verkapselung verbessert diese Arbeit eine wichtige Messmethode, charakterisiert eine Vielzahl an Permeationsbarrieren und untersucht die Bauteilalterung durch Lufteinwirkung. Auch wenn das das Forschungsfeld der Verkapselungen nach wie vor eine Reihe offener Fragen aufweist, so bestärkt diese Arbeit doch in der Hoffnung, dass die organischen Bauteile selbige überdauern werden.

This work investigates the encapsulation of organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs) in order to extend their lifetimes. Despite their unquestioned benefits, such as low material consumption and flexibility, their short lifetime span in ambient atmosphere is a clear disadvantage. For protection purposes, the devices are required to be encapsulated with permeation barriers. An appropriate barrier must have a water vapor transmission rate (WVTR) below 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1) – below a monolayer of water permating through the barrier per day. Thus to design such barriers, a highly sensitive method for their evaluation is the primary requirement. Much fundamental research and setup development is thus performed in this work in order to improve the electrical calcium test to a sufficient level of sensitivity, reliability, and measurement capacity. The electrical calcium test uses a thin film of ignoble calcium and determines the amount of incoming water based on the decrease in its electrical conductance. In order to obtain highly precise results, this work identifies the reaction product (calcium hydroxide) and electrical resistivity of evaporated calcium films ((6.2 +- 0.1) 10^(-6-) Ohm cm). In contrast to a common assumption for the evaluation of calcium tests, calcium is found to corrode laterally inhomogeneous. However, it is shown theoretically and experimentally that this inhomogeneity does not distort the WVTR-measurement. Besides these fundamental investigations, calcium test design problems – as well as their solutions – are shown such as the damaging of an inorganic barrier film by an adjacent calcium sensor. As a result, a powerful and reliable measurement setup has been created. Subsequently, an investigation of a variety of barriers is presented, based on calcium tests, but also on device encapsulation and electroplating into defects: Permeation through evaporated aluminum thin films is found to occur mainly through macroscopic defects (radii > 0.4 μm) characterizable by optical inspection. Barriers made via atomic layer deposition (ALD) show improved performance with increasing layer thickness. Using ALD on foils provides excellent but, thus far, unreliable barriers. Permeation through bare polymer foils as well as sputtered zinc tin oxide (ZTO) increases roughly linear with increasing humidity and the measured WVTRs are highly comparable to reference values. The POLO barrier with a WVTR in the lower 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1)-regime reaches the sensitivity limit of the current calcium test layout. In summary, in-depth investigations on permeation through different barriers are conducted here which reveal basic WVTR-dependencies from process- and climate parameters. Finally, water is identified as the predominant cause for device degradation, reducing the active area. For one type of both OLEDs and OSCs, the amount of water causing a 50% loss in active area (T50- water-uptake) is quantified via a comparative aging experiment involving calcium tests. Further for the case of the OSC, this T50-water-uptake of (20 +- 7) mg(H2O) m^(-2) is shown to be independent of climate conditions. As a result, the previously unspecific request for an aimed device lifetime can now be translated into a specific requirement for the permeation barrier: a water vapor transmission rate. Regarding the field of encapsulation, this work improves an essential measurement technique, characterizes a variety of permeation barriers, and investigates degradation of devices by ambient gases. The encapsulation field still poses several open questions. This work, however, strengthens the belief that organic devices will outlive them.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Organic Semiconductors 2.2 Organic Solar Cells 2.3 Organic Light-Emitting Diodes 2.4 Humidity, Evaporation, and Condensation 2.5 Principles of Permeation 3 State of the Art in Barrier Production and Evaluation 3.1 Barrier Technologies 3.2 Permeation Measurement Techniques 4 Experimental 4.1 Description of the As-Delivered Substrates 4.2 Treatment of Substrates 4.3 Deposition of Calcium Tests and Devices by Thermal Evaporation 4.4 Permeation Barriers by Atomic Layer Deposition 4.5 Defect Evaluation by Electrodeposition 5 Calcium for Permeation Tests Properties and Corrosion Behavior 5.1 Electrical Conductance and Optical Transmission 5.2 Corrosion Product 5.3 Laterally Inhomogeneous Calcium Corrosion 5.4 Implications for Optical and Electrical Calcium Corrosion Tests 6 Electrical Calcium Test 6.1 Measurement Setup 6.2 Calcium Test Layout 6.3 Comparability with Other Methods – OE-A Round Robin 6.4 Limitations and Future Prospects of the Electrical Calcium Test 6.5 Setup and Layout – Conclusions 7 Barrier Investigation 7.1 Thermally Evaporated Aluminum as Thin Film Encapsulation 7.2 ZnSnO (Magnetron Sputtered) on Polymer Foil 7.3 Al2O3 (ALD) on Polymer Substrate and as Thin Film Encapsulation 7.4 Summary and Conclusions for the Investigated Barriers 8 Encapsulation and Lifetime of Devices 8.1 Phenomenology of Device Degradation in Ambient Atmosphere 8.2 OLED Degradation Investigated by Calcium Tests 8.3 OSC Degradation Investigated by Calcium Tests 8.4 Discussion 8.5 Conclusions 9 Conclusions and Future Prospects Bibliography Acknowledgements Statement of Authorship / Diese Arbeit untersucht die Verkapselung organischer Leuchtdioden (OLEDs) und organischer Solarzellen (OSCs), um ihre Lebensdauer zu verlängern. Trotz unbestrittener Vorteile wie geringer Materialaufwand und mechanische Flexibilität stellt die kurze Lebensdauer dieser Bauteile an Luft einen deutlichen Nachteil dar. Um sie zu schützen, müssen sie mit Permeationsbarrieren verkapselt werden. Eine geeignete Barriere zeichnet sich durch eine Wasserpermeationsrate (WVTR) unterhalb von 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1) aus – weniger als eine Monolage Wasser pro Tag. Folglich wird zur Entwicklung einer solchen Barriere primär eine äußerst empflindliche Methode zu ihrer Vermessung benötigt. Um für den elektrischen Calcium-Test ein hinreichendes Maß an Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Probendurchsatz zu erzielen, werden in dieser Arbeit Grundlagenuntersuchungen sowie die Entwicklung des Messaufbaus umfassend behandelt. Der elektrische Calcium-Test bestimmt die Menge eindringenden Wassers anhand der Leitfähigkeitsabnahme einer dünnen Schicht Calcium – eines unedlen Metalls. Um eine hohe Genauigkeit zu erlangen, werden das Reaktionsprodukt (Calciumhydroxid) und der spezifische Widerstand ((6,2 +- 0,1) 10^(-6) Ohm cm) aufgedampfter Calcium-Filme bestimmt. Entgegen einer für die Auswertung von Calcium-Tests üblichen Annahme wird für Calcium ein lateral inhomogenes Korrosionsverhalten festgestellt. Allerdings kann theoretisch und experimentell nachgewiesen werden, dass hierdurch die WVTR-Messung nicht verfälscht wird. Neben diesen Grundlagenuntersuchungen werden Design-Probleme des Calcium-Tests und deren Lösung vorgestellt, z. B. die Schädigung der anorganischen Barriere durch direkten Kontakt mit dem Calcium-Sensor. Im Ergebnis ist damit ein ebenso leistungsstarker wie zuverlässiger Messaufbau entwickelt worden. Im nächsten Schritt wird die Untersuchung einer Vielzahl von Barrieren mithilfe von Calcium-Tests, aber auch Bauteil-Verkapselung und galvanischer Abscheidung in Defekten, vorgestellt: Die Permeation durch aufgedampfte Aluminium-Dünnfilme geschieht demnach im Wesentlichen durch Makro-Defekte (Radien > 0,4 μm), die einer optischen Charakterisierung zugänglich sind. Barrieren, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt werden, verbessern sich mit steigender Schichtdicke, wobei solche Schichten auf Folien ausgezeichnete – aber bisher unzuverlässige – Permeationsbarrieren darstellen. Sowohl für einfache Polymerfolien als auch für gesputterte Zink-Zinn-Oxid-Barrieren (ZTO) werden zum einen gute Übereinstimmungen der gemessenen WVTR mit Vergleichswerten erzielt, zum anderen wächst in beiden Fällen die WVTR grob linear mit der anliegenden Luftfeuchte. Die POLO-Barriere mit einer WVTR im unteren 10^(-4) g(H2O) m^(-2) d^(-1)-Bereich erreicht die Messgrenze des aktuellen Messaufbaus. Kurzgesagt, es werden tiefgehende Untersuchungen zur Permeation durch verschiedene Barrieren durchgeführt, die grundlegende Zusammenhänge zwischen WVTR und Prozess-/Klimabedingungen beleuchten. Schließlich wird Wasser, das die aktive Fläche reduziert, als die vorrangige Degradationsursache identifiziert. Für je eine Sorte OLEDs und OSCs wird mittels eines vergleichenden (gegenüber Calcium-Tests) Alterungsexperiments dieWassermenge bestimmt, die die aktive Fläche um 50% verringert (T50-Wasser-Aufnahme). Für die OSC wird zudem gezeigt, dass die T50-Wasser-Aufnahme von (20 +- 7) mg(H2O) m^(-2) unabhängig von den Klimabedingungen ist. Folglich kann die zuvor unspezifische Forderung nach einer angestrebten Lebensdauer nun in eine konkrete Anforderung an die Barriere übersetzt werden: eine Wasserpermeationsrate. Mit Blick auf das Feld der Verkapselung verbessert diese Arbeit eine wichtige Messmethode, charakterisiert eine Vielzahl an Permeationsbarrieren und untersucht die Bauteilalterung durch Lufteinwirkung. Auch wenn das das Forschungsfeld der Verkapselungen nach wie vor eine Reihe offener Fragen aufweist, so bestärkt diese Arbeit doch in der Hoffnung, dass die organischen Bauteile selbige überdauern werden.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Organic Semiconductors 2.2 Organic Solar Cells 2.3 Organic Light-Emitting Diodes 2.4 Humidity, Evaporation, and Condensation 2.5 Principles of Permeation 3 State of the Art in Barrier Production and Evaluation 3.1 Barrier Technologies 3.2 Permeation Measurement Techniques 4 Experimental 4.1 Description of the As-Delivered Substrates 4.2 Treatment of Substrates 4.3 Deposition of Calcium Tests and Devices by Thermal Evaporation 4.4 Permeation Barriers by Atomic Layer Deposition 4.5 Defect Evaluation by Electrodeposition 5 Calcium for Permeation Tests Properties and Corrosion Behavior 5.1 Electrical Conductance and Optical Transmission 5.2 Corrosion Product 5.3 Laterally Inhomogeneous Calcium Corrosion 5.4 Implications for Optical and Electrical Calcium Corrosion Tests 6 Electrical Calcium Test 6.1 Measurement Setup 6.2 Calcium Test Layout 6.3 Comparability with Other Methods – OE-A Round Robin 6.4 Limitations and Future Prospects of the Electrical Calcium Test 6.5 Setup and Layout – Conclusions 7 Barrier Investigation 7.1 Thermally Evaporated Aluminum as Thin Film Encapsulation 7.2 ZnSnO (Magnetron Sputtered) on Polymer Foil 7.3 Al2O3 (ALD) on Polymer Substrate and as Thin Film Encapsulation 7.4 Summary and Conclusions for the Investigated Barriers 8 Encapsulation and Lifetime of Devices 8.1 Phenomenology of Device Degradation in Ambient Atmosphere 8.2 OLED Degradation Investigated by Calcium Tests 8.3 OSC Degradation Investigated by Calcium Tests 8.4 Discussion 8.5 Conclusions 9 Conclusions and Future Prospects Bibliography Acknowledgements Statement of Authorship

Solid state lighting is a new environmentally friendly light source. So far, light emitting diodes (LEDs) and organic LEDs (OLEDs) have been presented as candidates with potentially high efficiency. Recent advances of OLEDs in device architecture, light-out coupling, and materials have ensured high efficiency, exceeding that of incandescent light bulbs. In contrast to conventional point source LEDs, OLEDs distribute light throughout the surface area and are not restricted by their size. Additionally, OLEDs are expected to reach sufficient stability in the near future. The remaining challenge for OLEDs is their cost. New OLED technologies provide cost effective manufacturing methods which could be presented for transparent electrode materials because indium tin oxide (ITO), a widely used material as a transparent electrode for OLEDs, is less than optimal due to its high element price. In this work, alternative transparent electrodes for OLEDs as a replacement of ITO were studied. First, Al doped ZnO (ZnO:Al) which is composed of abundant materials was investigated with DC magnetron sputtering under a wide range of experimental conditions. The optimised ZnO:Al received comparable performance with conventional ITO films, low sheet resistance of 22.8 Ω/sq as well as a high transparency of 93.1 % (average value in the visible range). Various type of p-i-n OLEDs were employed on the structured ZnO:Al using photolithography. Green OLEDs with double emission layers have been archived stable efficiencies even at higher luminance. Also, OLEDs using two fluorescent colour system on ZnO:Al anode showed a purely white emission. It has been found that the OLEDs on ZnO:Al anode has comparable or better device efficiencies and operational lifetime compared to OLEDs on conventional ITO anode. As another alternative electrode, the conductive polymer Baytron®PH510 (PEDOT:PSS) was investigated. Due to a relatively high sheet resistance of PEDOT:PSS, metal grid was designed for large size OLEDs. White OLEDs on PEDOT anode with a size of 5 × 5 cm2 have achieved more than 10 lm/W of power efficiency using a scattering foil. Furthermore, up-scaled devices on 10 × 10 cm2 were also demonstrated. These results showed ZnO:Al and PEDOT are suitable for OLEDs as anode and have high potential as alternative transparent electrode materials.